JP2017115753A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑えつつ、制御安定性に優れており、且つ、サージ限界を効果的に向上させることができるターボチャージャを提供する。
【解決手段】排気エネルギーにより回転させられることによって吸気を圧縮するインペラ３と、インペラ３の軸方向から吸気を供給する円筒状の吸気路９を有し、インペラ３を収容するハウジング６と、吸気路９の一部を閉塞する閉位置と吸気路９を開放する開位置との間で回動可能な円板状の弁体２１を有するバルブ２０と、を設け、弁体２１の周方向の一部に扇形の切欠部２１ａを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンからの排気エネルギーにより吸気を圧縮するターボチャージャに関する。

従来より、自動車等のエンジンに対して過給を行う過給装置として、排気エネルギーによりインペラを回転させ、回転しているインペラにより吸気を圧縮するターボチャージャが知られている。このようなターボチャージャにおいては、吸気量が減少して所定の許容限界（以下、「サージ限界」と称する）を下回ると、サージングが発生し、ターボチャージャが正常に機能しなくなるという問題がある。

上述のような問題を解決するため、例えば特許文献１、２では、吸気路に可変ベーンが設けられており、インペラに流れ込む吸気の流れ方向を制御することで、サージ限界を改善することができるとされている。また、このほかにも、サージ限界を改善するため、吸気路にカメラの絞り機構と同様の機構を設けたターボチャージャが知られている。このターボチャージャでは、吸気量が少ないときに、吸気路を絞ることによってサージの発生を抑えることができるとされている。

特開２００５−２３７９２号公報 特開２００９−１６７９３８号公報

しかしながら、上述の可変ベーンや絞り機構は、多くの部品からなる複雑な構成となっており、コスト上昇や組立工数の増加を伴うという点で不利である。また、可変ベーンは、ベーンの動作時に異物が挟まることで動作不良が発生しやすく、制御安定性の点においても劣っている。同様の課題は、複数の羽根から構成される絞り機構を採用した場合でも生じ得る。

また、絞り機構を用いたターボチャージャでは、図４のａ図に示すように、絞り機構１０１の背面側の領域Ａにおける流速が低くなり、絞り機構１０１を通過した後の吸気が径方向外側に急拡散しやすい。このため、吸気の圧力損失が大きくなり圧縮効率が低下するとともに、低速領域Ａにおいて吸気が逆流しやすく、サージ限界を効率的に向上できるものとはなっていなかった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加を抑えつつ、制御安定性に優れており、且つ、サージ限界を効果的に向上させることができるターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明にかかるターボチャージャは、排気エネルギーにより回転させられることによって吸気を圧縮するインペラと、前記インペラの軸方向から前記吸気を供給する円筒状の吸気路を有し、前記インペラを収容するハウジングと、前記吸気路の一部を閉塞する閉位置と前記吸気路を開放する開位置との間で回動可能な円板状の弁体を有するバルブと、を備え、前記弁体の周方向の一部に扇形の切欠部が形成されていることを特徴とする。

本発明にかかるターボチャージャでは、吸気路に設けられた弁体に切欠部が形成されているので、弁体が閉位置にあるときには、切欠部を通過した吸気がインペラに供給される。この切欠部は円板状の弁体の周方向の一部を切り欠いた扇形となっているため、後で詳細に説明するように、切欠部を通過した吸気が概ねそのままの速度で軸方向に沿ってインペラに供給されるので、圧縮効率の低下を抑え、サージ限界を効果的に向上させることができる。また、弁体が１つで済むので、部品点数の増加を抑えることができるとともに、異物の挟み込みを抑制することができる。したがって、本発明によれば、部品点数の増加を抑えつつ、制御安定性に優れており、且つ、サージ限界を効果的に向上させることができるターボチャージャを提供することができる。

本実施形態にかかるターボチャージャの構成を示す断面図である。 バルブの概要構成を示す斜視図である。 ターボチャージャの空気流量と圧力比との関係を示すグラフである。 （ａ）絞り機構を備えた従来のターボチャージャの模式図と（ｂ）本実施形態のターボチャージャの模式図である。

以下、本実施形態にかかるターボチャージャについて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態にかかるターボチャージャの構成を示す断面図であり、コンプレッサ側の構成を図示したものである。なお、タービン側の構成は基本的に周知の構成であるので、タービン側についての詳細な説明は省略する。

図１に示すターボチャージャ１は、回転軸２の一方の軸端部に取り付けられるコンプレッサインペラ３および他方の軸端部に取り付けられる不図示のタービンインペラが、ハウジング４内に収容された基本構成を有している。このうちコンプレッサインペラ３が、本発明における「インペラ」に相当する。

ハウジング４は、回転軸２をスラスト方向に支持するスラストベアリング７および回転軸２をラジアル方向に支持するラジアルベアリング８を収容するベアリングハウジング５と、ベアリングハウジング５のコンプレッサ側（図１の左側）に設けられ、コンプレッサインペラ３を収容するコンプレッサハウジング６と、ベアリングハウジング５のタービン側（図１の右側）に設けられ、タービンインペラを収容する不図示のタービンハウジングとから構成される。コンプレッサハウジング６には、コンプレッサインペラ３の軸方向から吸気を供給する円筒状の吸気路９と、コンプレッサインペラ３で圧縮された吸気が排出される渦巻き状のスクロール通路１０とが、それぞれ形成されている。

このように構成されたターボチャージャ１において、不図示のエンジンからの排気のエネルギーによってタービンインペラが回転させられると、この回転動作が回転軸２を介してコンプレッサインペラ３に伝達され、コンプレッサインペラ３が回転する。そうすると、コンプレッサインペラ３の軸方向外側にある吸気路９からコンプレッサインペラ３に吸気が取り込まれ、コンプレッサインペラ３の回転によって吸気が圧縮される。コンプレッサインペラ３で圧縮された吸気は、コンプレッサインペラ３の径方向外側（遠心方向）のスクロール通路１０に吐き出される。

コンプレッサインペラ３は、軸心部をなすボス部３ａから径方向外側に向かって複数の翼部３ｂが形成された構成となっている。ボス部３ａには、軸方向に沿って貫通孔３ｃが形成されており、この貫通孔３ｃに回転軸２が挿入された状態で固定されている。なお、本実施形態では、翼部３ｂがコンプレッサインペラ３の周方向（回転方向）に６０度ごとの等間隔で計６枚配置されているものとするが、翼部３ｂの枚数は適宜変更が可能である。

本実施形態のターボチャージャ１には、サージ限界の向上を図るため、バルブ２０が吸気路９に設けられている。このバルブ２０は、吸気の流れ方向（図１の左から右への方向）において、コンプレッサインペラ３の上流側に隣接して配置されている。バルブ２０は、弁体２１と、弁体２１を回動させる回動軸２２とを有している。

回動軸２２は、回動軸２２の軸方向（図１の紙面垂直方向）から見て弁体２１の一端部に固定されており、弁体２１は回動軸２２を中心に回動する。回動軸２２の一部はコンプレッサハウジング６の外側に突出しており、この突出した部分に、例えばモータや減速機等からなる駆動部３１が連結されている。駆動部３１が回動軸２２を軸周りに回転させることで、弁体２１を閉位置（図１において実線で示す位置）と開位置（図１において一点鎖線で示す位置）との間で回動させることができるように構成されている。駆動部３１には制御部３２が接続されており、制御部３２は、弁体２１を閉位置または開位置に移動させるべく、駆動部３１に対して動作指令を発する。

図２に示すように、弁体２１は円板状に構成されており、周方向の一部に扇形に切り欠かれた切欠部２１ａが設けられている。切欠部２１ａは、円板状の弁体の中心から外縁に至る範囲に形成されている。切欠部２１ａが設けられていることで、弁体２１が閉位置にあるときでも、吸気路９は完全には閉塞されず、切欠部２１ａを通過した吸気がコンプレッサインペラ３に供給される。

本実施形態では、切欠部２１ａは、コンプレッサインペラ３の翼部３ｂの１ピッチ分、すなわち、周方向において６０度分の範囲が切り欠かれて形成されている。また、切欠部２１ａは、回動軸２２の軸方向から見て、弁体２１の中心に対して回動軸２２の反対側に設けられている。しかしながら、切欠部２１ａの形成範囲や形成位置は上述した形態に限定されるものではない。

図１に戻って、コンプレッサハウジング６のうち吸気路９の内壁の一部には、凹状の収容部６ａが形成されており、開位置にある弁体２１を収容部６ａに収容可能となっている。また、コンプレッサハウジング６のうち吸気路９の下流側端部には、径方向内側に突出する段部６ｂが形成されており、弁体２１が閉位置にあるときには、弁体２１の周縁部が段部６ｂに当接するよう構成されている。

弁体２１の周縁部が段部６ｂに当接することによって、吸気路９の内壁と弁体２１の周縁部との間から吸気がコンプレッサインペラ３側へ漏れるのを抑えることができる。ただし、段部６ｂに弁体２１を当接させることは必須ではない。例えば、段部６ｂをなくして、弁体２１の外径を吸気路９の内径と略同じにすることによって（厳密には、弁体２１の回動を許容するため、弁体２１の外径を吸気路９の内径よりもわずかに小さくする必要がある）、吸気路９の内壁と弁体２１の周縁部との間から漏れる吸気量を小さくしてもよい。

制御部３２には、例えば、空気流量および過給前後の圧力に関する情報が入力されるとともに、図３に示すバルブ開閉制御の閾値ラインに関するデータが予め記憶されている。この閾値ラインは、従来のサージ限界よりも若干高流量側（図３のグラフにおいて右側）に設定されている。そして、制御部３２は、現在の空気流量および圧力比（＝過給後の圧力／過給前の圧力）を図３のグラフ上にプロットした座標が、閾値ラインよりも高流量側となるか、低流量側となるかを判定する。なお、閾値ラインは図３に示したものに限定されない。

上記座標が閾値ラインよりも低流量側となる場合は、制御部３２は、弁体２１を閉位置に位置させるべく駆動部３１を制御する。弁体２１が閉位置にあるときは、吸気は切欠部２１ａを介してコンプレッサインペラ３に供給されるため、実質的に吸気路９が狭められることになり、吸気量が少なくてもサージの発生を抑えることができる。つまり、バルブ２０を閉状態とすることで、図３に示すように、サージ限界を従来よりも低流量側に移動させることができ、サージ限界を向上させることができる。したがって、例えば、図３に示すように、従来の作動線よりも低速トルクの向上が図られた作動線を想定した場合でも、低流量域でサージが発生することを抑制できる。

一方、上記座標が閾値ラインよりも高流量側となる場合は、制御部３２は、弁体２１を開位置に位置させるべく駆動部３１を制御する。こうすることで、吸気路９全体からコンプレッサインペラ３に吸気を供給することができる。このとき、弁体２１は凹状の収容部６ａ内に位置しているため、弁体２１によって吸気路９における吸気の流れが阻害されることを抑えることができる。

（効果）
本実施形態のターボチャージャ１による効果について説明する。図４のａ図に示すように、従来のターボチャージャにように絞り機構１０１を設けた場合、吸気路９の中心部の開口１０１ａが狭くなるように流路が狭められる。このため、吸気の流れ方向に関して開口１０１ａの下流側且つ径方向外側の領域Ａでは、流れが淀んで流速が低くなり、開口１０１ａを通過した後の吸気が径方向外側に急拡散してしまう（矢印参照）。このため、吸気の圧力損失が大きくなり圧縮効率が低下するとともに、低速領域Ａにおいて吸気が逆流しやすく、サージ限界を効率的に向上できるものとはなっていなかった。

これに対し、本実施形態のターボチャージャ１は、弁体２１の周方向の一部に扇形の切欠部２１ａが形成されている。このため、このように構成されたバルブ２０では、切欠部２１ａの下流側且つ径方向外側に何かの部材の背面となるような領域が存在しないため、従来技術のような低速領域Ａが形成されない。このため、切欠部２１ａを通過した吸気が径方向外側に急拡散する流れとはならず、図４のｂ図に示すように、切欠部２１ａを通過した吸気は概ねそのままの速度で軸方向に沿ってコンプレッサインペラ３に供給される。なお、扇形の切欠部２１ａを通過した吸気が周方向に拡散する可能性はあるが、周方向においてはコンプレッサインペラ３の回転により生成される流れが優勢となるため、周方向に拡散したとしてもその影響は軽微である。

つまり、絞り機構１０１のように吸気路９を径方向に絞るのではなく、本実施形態のバルブ２０のように吸気路９を周方向（コンプレッサインペラ３の回転方向）に絞ることによって、吸気路９からコンプレッサインペラ３に流れ込む吸気の径方向外側への急拡散を抑えることができ、その結果、圧縮効率の低下を抑え、サージ限界を効果的に向上させることができる。

また、このようなバルブ２０では、弁体２１が１つで済むので、部品点数の増加を抑えることができるとともに、特許文献１、２のように複数のベーンが設けられている場合と比べて、異物の挟み込みを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、部品点数の増加を抑えつつ、制御安定性に優れており、且つ、サージ限界を効果的に向上させることができるターボチャージャ１を提供することができる。さらに、弁体２１を閉位置と開位置の２位置制御とすることで、制御プログラムを簡易化することができ、制御安定性をより向上させることができる。

また、本実施形態では、弁体２１の回動軸２２が、回動軸２２の軸方向から見て弁体２１の端部に取り付けられている。このため、図１に示すように、閉状態の弁体２１がコンプレッサインペラ３に近接するようにバルブ２０を設けることができ、切欠部２１ａを通過した吸気をすぐにコンプレッサインペラ３に取り込むことができ、切欠部２１ａで吸気路９を絞った効果がより顕著となる。また、このような形態のバルブ２０は、排気をバイパスさせるための通路に設けられる周知のウエストゲートバルブと同様の構成のため、ウエストゲートバルブをバルブ２０に転用できるというメリットもある。

また、本実施形態では、回動軸２２の軸方向から見て、弁体２１の中心に対して回動軸２２の反対側に切欠部２１ａが設けられている。このため、回転軸２２から遠い領域において弁体２１の重量を軽減することができ、その結果、弁体２１の回動に必要なトルクを小さくすることができる。

また、本実施形態では、開位置にある弁体２１を収容する収容部６ａが吸気路９の内壁に形成されている。このため、開位置にある弁体２１が、吸気路９における吸気の流れを妨げることを抑制できる。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。例えば、切欠部２１ａを形成する範囲や位置、および回動軸２２の配置等の具体的構成は、上記実施形態に示したものに限定されず、適宜変更が可能である。

１：ターボチャージャ
３：コンプレッサインペラ（インペラ）
６：コンプレッサハウジング（ハウジング）
６ａ：収容部
９：吸気路
２０：バルブ
２１：弁体
２１ａ：切欠部
２２：回動軸

Claims (4)

1. 排気エネルギーにより回転させられることによって吸気を圧縮するインペラと、
   前記インペラの軸方向から前記吸気を供給する円筒状の吸気路を有し、前記インペラを収容するハウジングと、
   前記吸気路の一部を閉塞する閉位置と前記吸気路を開放する開位置との間で回動可能な円板状の弁体を有するバルブと、
   を備え、
   前記弁体の周方向の一部に扇形の切欠部が形成されていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記弁体の回動軸が、当該回動軸の軸方向から見て前記弁体の端部に取り付けられている請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記回動軸の軸方向から見て、前記弁体の中心に対して前記回動軸の反対側に前記切欠部が設けられている請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記開位置にある前記弁体を収容する収容部が前記吸気路の内壁に形成されている請求項２または３に記載のターボチャージャ。

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